Reklama
Reklama
 
 
 
Sprężarkowe pompy ciepła napędzane silnikiem gazowym
Ocena użytkowników: / 2
SłabyŚwietny 
Data dodania: 10.02.2016

Artykuł dotyczy sprężarkowych pomp ciepła napędzanych silnikiem tłokowym gazowym. Opisano podstawowe parametry systemów, zasadę działania, problemy eksploatacyjne oraz przybliżone wartości kosztów użytkowania takiej pompy ciepła na podstawie wybranych realizacji.

 

 

Analiza kosztów eksploatacyjnych związanych z ogrzewaniem i klimatyzacją budynków wskazuje, że stanowią one aż 80% wydatków poniesionych na funkcjonowanie obiektu. Z tego względu proces projektowania i doboru instalacji ogrzewania i klimatyzacji jest bardzo istotny i ma znaczący wpływ na późniejsze koszty eksploatacyjne. Dla dysponenta budynku ważne są na równi z kosztami inwestycyjnymi koszty eksploatacji obiektu, które na przestrzeni wielu lat znacznie przewyższają wartość inwestycji początkowej. Stąd wybór technologii ograniczającej zużycie energii w znaczny sposób zmniejsza TCO (Total Cost of Ownership). Ciągły wzrost cen źródeł energii wymaga szerszego spojrzenia na rozwiązania pozwalające ograniczyć koszty eksploatacji. 

 

Jedną z metod podnoszących efektywność wykorzystania źródeł energii są pompy ciepła, których ogólny sposób działania jest dobrze znany. Prowadzone ciągle badania dotyczące tych urządzeń skupiają się m. in. nad poprawą ich sprawności energetycznej.

 

Główne kierunki rozwoju to stosowanie układów wielostopniowych, dobór odpowiedniej konstrukcji sprężarek i możliwych rodzajów napędu mechanicznego (stosowanie wysokosprawnych specjalnie projektowanych gazowych silników tłokowych) lub cieplnego w przypadku urządzeń absorpcyjnych. Ważnym problemem są ciągłe badania poświęcone poszukiwaniu czynników roboczych, które jednocześnie muszą spełniać kryteria bezpieczeństwa i wymagania dotyczące najlepszych właściwości termodynamicznych z punktu widzenia efektywności energetycznej. Dodatkowo stosuje się pompy ciepła w systemach kogeneracyjnych (rys. 1.), czyli mających możliwość jednoczesnej generacji energii cieplnej, energii elektrycznej oraz pośrednio dostarczanie mocy chłodniczej (włączając układy absorpcyjne i adsorpcyjne). Kogeneracja pozwala na znaczące podwyższenie wykorzystania energii pierwotnej dostarczanej do zasilania urządzeń. W systemach tych również ciepła woda użytkowa może być produkowana za pomocą strumieni energii ciepła odpadowego. Stanowi to doskonałe rozwiązanie w przypadku obiektów o dużym zapotrzebowaniu na taką wodę (baseny, obiekty SPA, aquaparki, hotele oraz przemysłowe procesy technologiczne).

 

 

2016 1-2 34 1

Rys. 1. Schemat ideowy wykorzystania odnawialnych źródeł ciepła w skojarzeniu z gazową pompą ciepła

 

 

Podejmowana przez ośrodki naukowe i komercyjne ośrodki badawczo-rozwojowe tematyka badań naukowych i doświadczalnych odnosi się w szerokim zakresie do efektywności energetycznej. Tutaj widać zainteresowanie stosowaniem układów wielostopniowych, poprawą sprawności sprężania i oszczędności energii w układach napędowych (tutaj znajduje miejsce stosowanie silników gazowych). Rozważa się stosowanie sprężania eżektorowego a ponadto ciągle trwają pracę nad lepszymi ekologicznymi czynnikami roboczymi, które są wykorzystywane w sprężarkowych, absorpcyjnych i adsorpcyjnych pompach ciepła. Ważne jest także zwiększanie efektywności wykorzystania energii w pompach ciepła pracujących w układach odzyskujących ciepło z gleby, źródeł geotermalnych, promieniowania słonecznego, które wykorzystywane są w suszarnictwie, kogeneracji oraz w wielu systemach do ogrzewania i klimatyzowania pomieszczeń biurowych, hal widowiskowych, kin, teatrów oraz centrów handlowych.

 

Widać, że zwiększenie efektywności energetycznej można osiągnąć różnymi metodami. Jedną z nich jest stosowanie wysokosprawnych silników gazowych służących do napędu nowoczesnych sprężarek. Rozwiązania te na szeroką skalę wprowadzane w połowie pierwszego dziesięciolecia XXI wieku w Japonii, obecnie od wielu lat znajdują swoje miejsce także w Europie, w tym w Polsce.

 

Omawiane pompy ciepła mają silnik gazowy przekazujący moment obrotowy na wał sprężarki za pomocą wysokosprawnego sprzęgła. W rezultacie energia elektryczna wykorzystywana jest głównie do napędu wentylatorów i zasilania systemów automatyki i sterowania. W ten sposób zapotrzebowanie na energię elektryczną znacząco maleje.

 

Dotychczasowe realizacje wykonane w oparciu o pompy ciepła GHP z silnikiem gazowym wykorzystywane w systemach grzewczych i klimatyzacyjnych budynku, potwierdzają oszczędności eksploatacyjne rzędu 40%. Dodatkowe argumenty przemawiające za zastosowaniem tych rozwiązań to redukcja zapotrzebowania na moc elektryczną (ograniczenie kosztów inwestycyjnych stacji transformatorowej zasilającej budynek) oraz oszczędność miejsca ze względu na brak konieczności stosowania pomieszczeń technicznych. W przypadku wielu użytkowników budynku, koszty eksploatacyjne mogą być rozliczone na poszczególnych najemców według rzeczywistego zużycia energii cieplnej zimą a chłodu w okresie letnim.

 

 

2016 1-2 35 1

 

 

Cechy charakterystyczne gazowych pomp ciepła 

Właściwości pomp ciepła ze sprężarkami napędzanymi silnikiem gazowym można opisać w sposób następujący [2]:

  • w porównaniu do typowych elektrycznych napędów sprężarek dostrzega się duże obniżenie zużycia energii elektrycznej – bo możliwa jest generacja prądu elektrycznego.
  • ze względu na możność spożytkowania odpadowego ciepła spalin i strumienia ciepła odprowadzonego od silnika w wyniku chłodzenia korpusu, można znacznie podnieść ogólną sprawność wykorzystania energii pierwotnej (gaz ziemny, LNG, biogaz), co daje szczególnie dużo korzyści w regionach chłodnych z niską średnią temperaturą roczną.
  • odpowiednio dobrany silnik gazowy zapewnia zmniejszenie emisji dwutlenku węgla nawet w przypadku stosowania typowych układów spalania węgla kamiennego połączonego z pompą ciepła napędzaną silnikiem elektrycznym.
  • pompy te mają swoje zalety w chłodnym klimacie ze względu na brak potrzeby stosowania oszraniania, gdyż może służyć do tego gorąca woda po schłodzeniu silnika gazowego.

 

Problemy eksploatacyjne natomiast dotyczą drgań i przemieszczeń związanych z przełożeniem napędu z wału silnika na wał sprężarki (np. przekładnia pasowa na rys. 2.) oraz towarzyszącemu tym zjawiskom hałasowi. Zazwyczaj był on wyższy niż w przypadku zwykłych napędów elektrycznych, lecz nowsze konstrukcje są już bardziej wyciszone. Gazowy silnik napędowy realizuje obieg termodynamiczny oparty na obiegu Otto. Silniki o mocy mechanicznej mniejszej niż 60 kW to zmodernizowane silniki o konstrukcjach wysokowytrzymałych wywodzących się z silników wielkogabarytowych ciężarówek długodystansowych. Silniki o mocach większych to silniki o długiej żywotności wolnoobrotowe. Wymagają wymiany głowic cylindrów co 30 000 godzin roboczych (około 3,5 roku ciągłej pracy). Przegląd techniczny w nowych konstrukcjach silników co 10 000 godzin wymaga regulacji zaworów, sprawdzenia świec iskrowych (wymiana w razie konieczności), wymiany oleju i fi ltrów powietrza, sprawdzenia stosunku dostarczanego paliwa i powietrza oraz pomiaru sprężu na wszystkich cylindrach.

 

 

2016 1-2 35 2

Rys. 2. Pompa ciepła z gazowym silnikiem napędowym – schemat jednostka zewnętrzna i wewnętrzna

 

 

W trakcie rozwoju technologii najlepsze wyniki efektywności energetycznej osiągnięto przez zastosowanie wysokowydajnych sprężarek typu scroll. Dobre wyniki osiągnięto również za pomocą systemu płynnej zmiany obrotów, objętości sprężanego czynnika oraz wydajności chłodniczej. Ustalono także w wyniku badań, że na tym etapie eksploatacji najlepszym czynnikiem roboczym jest mieszanina HFC 410A [3], ze względu na dobrą jednostkową objętościową wydajność chłodniczą. Na uwagę zasługują także nowoczesne silniki zasilane niskokaloryczną mieszanką powietrznopaliwową, które poprzez zmiany konstrukcyjne, utrzymują bardzo dobrze stabilność procesu spalania. Osiąga się to także przez lepszą kontrolę stosunku objętościowego gazu palnego i powietrza.

 

Należy pamiętać, że koszty inwestycyjne w momencie zakupu tzw. gazowej pompy ciepła są wyższe niż w przypadku tych z napędem elektrycznym, ale taryfy opłat za gaz w trakcie eksploatacji są konkurencyjne wobec opłat za energię elektryczną.

 

Trudność sprawia porównanie osiągów pompy ciepła z napędem elektrycznym z pompą ciepła napędzaną silnikiem gazowym. Problemem jest właściwe wyrażenie poziomu odniesienia. Dlatego opracowano metodę polegającą na szacowaniu współczynnika PER, który wskazuje sprawność zużycia mocy wynikającej z energii pierwotnej [4]. Dla pompy ciepła z napędem elektrycznym jest on zdefi niowany tak jak we wzorze (1), gdzie Q to moc cieplna wykorzystywana w górnym źródle pompy ciepła, a E to moc elektryczna dostarczona do pompy ciepła. Uwzględnia się tutaj także sprawność wytwarzania energii elektrycznej i jej przesyłu ηel.

 

2016 1-2 36 1

 

W przypadku pomp ciepła z silnikiem gazowym wskaźnik PER oblicza się jak w wyrażeniu (2), gdzie Q to moc dostarczona (do wykorzystania) w górnym źródle ciepła, E to moc elektryczna dostarczona do pompy ciepła np. na zasilanie wentylatorów czy na potrzeby sterowania. Natomiast G to moc cieplna dostarczona do pompy ciepła w postaci gazu określona na podstawie wartości opałowej i wydatku objętościowego gazu. Dodatkowo w wrażeniu występuje sprawność wytwarzania energii elektrycznej i jej przesyłu ηel.

 

2016 1-2 36 2

 

Niektórzy producenci stosują także współczynnik porównawczy COP definiowany jak w tabeli 2. Właściwe porównanie powinno również zawierać informacje o zakresach temperatury pracy, strumieniach objętościowych czynnika chłodniczego oraz o sposobie pozyskiwania strumienia ciepła w źródle dolnym pompy ciepła.

 

 

2016 1-2 36 3

 

(...)

 

Przykłady zastosowań pomp ciepła z silnikiem gazowym

 

Budynek „San Nicola” w Vicenzy (Włochy)

 

(...)

 

Szkoła sportowa w Raalte (Holandia)

 

(...)

 

Podsumowanie

Bezpośrednią korzyścią inwestora w zastosowaniu technologii gazowych pomp ciepła jest ograniczenie kosztów na etapie inwestycji oraz znacznie obniżenie kosztów eksploatacji, skracające czas zwrotu nakładów poniesionych na zakup urządzeń. Analizy ekonomiczne dla systemów GHP wskazują na duże oszczędności w zużyciu mediów zasilających budynek. Zintegrowana automatyka GHP do sterowania systemami HVAC pozwala na dodatkowe oszczędności eksploatacyjne. Technologia ta wpisuje się w założenia energooszczędnych i inteligentnych systemów Smart Grids. Ze względu na wzrost cen nośników energii i presję na redukcję emisji CO2, można oczekiwać, że tego typu rozwiązania powinny być w przyszłości stosowane w wielu gałęziach przemysłu.

 

 

mgr inż. Daniel LIPIŃSKI

 

dr inż. Adam RUCIŃSKI
Instytut Techniki Cieplnej,
Politechnika Warszawska

 

PODOBNE ARTYKUŁY:

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

Reklama

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.